ELTE Kémiai Intézet
Alkímia ma
Fényforrások a petróleumlámpától a kompakt fénycsövekig
Riedel Miklós 2011. április 14. 1
De La Tour: Magdolna a füstölő lánggal 1640 körül
2
Csontvári Kosztka Tivadar
Jajcei villanyerőmű éjjel, 1903
Villanyvilágított fák Jajcéban, 1903
Bortnyik Sándor Lámpagyújtó 1921
3
Elektromágneses sugárzás, fény
Ultraibolya
Látható tartomány
Hősugárzás
4
Folytonos spektrum
555 nm
Feketetest-sugárzás
A szem érzékenysége a napfényhez igazodott
napfény gyertya, petróleumlámpa, gázlámpa ívlámpa izzólámpa
5
Gyertya, mécses, fáklya, izzó testek
Feketetest-sugárzás A láng fényét a felizzó koromszemcsék adják
Régebben a lámpák fényerősségét gyertyafényben adták meg
Hasonló elven működik • petróleumlámpa • karbidlámpa
6 – 10 gyertya fénye 6
600 ºC hőmérsékleten a szénhidrogének krakkolódnak A láng szélén a hőmérséklet 1600 ºC is lehet
A zónák jól látszanak oxigén
éghető anyag 7
Gázvilágítás
1801 Párizs 1802 Anglia
William Murdoch
Világító gáz – nyílt láng ég csövön vezetve fénykibocsátás hasonló a gyertyához A gáz előállítása • szén, fa száraz lepárlása • később földgáz
8
Gázvilágítás
Hatásfok javítása Gázharisnya (intenzív fehér fény) 1885 60% MgO, 20% La2O3 and 20% Y2O3 1891 99% ThO2, 1% CeO2 manapság Y2O3, ZrO2
Kép saját α sugárzással felvéve
Carl Auer von Welsbach (1858 – 1929)
Sugárterhelés Th α - és β -sugárzás 220 Rn keletkezik α sugárzás
Háttér 2,4 mSv/év Kempingező 0,005 mSv/év Lenyeli a gázharisnyát 2 mSv 9
Villanyvilágítás Volta-oszlop 1800
Alessandro Volta (1745-1827)
Cink-, vörösréz- és sóoldattal átitatott karton- vagy bőrkorongokból állt.
A leideni palackot mindig fel kellett tölteni (dörzsöléssel) A Volta-oszloppal viszont sikerült állandó áramforráshoz jutni Ez tette lehetővé a villanyvilágítást. Később – dinamó (Siemens, Jedlik Ányos), erőművek10
Ívfény 1808 Humphry Davy ívlámpa 2000 elemből összeállított Volta-oszlop 2 db puha szénrúd érintkező csúcsok a szénpálcákat széthúzzák, vakító fehér fény a fényív hosszú ideig nem szakad meg
1877 Jablocskov (1847-1894) Párizs - sugárutakat világított meg ívlámpákkal A villanyvilágítás szép, de költséges A lámpák naponkénti karbantartást igényeltek Az ívlámpa lakások, üzletek, világítására alkalmatlan volt 11
Izzólámpa kezdetei Olvadáspontok Platina Molibdén Tantál Ozmium Volfrám Szén (szublimál)
C
o
1767 2623 3017 3033 3422 3825
← ←
Magas olvadáspontú fémek Nagy ellenállás (a vezetékhez képest) Mindennapi használatra Oxigéntől védi az üvegbúra Vákuum vagy inert gáz (nitrogén, argon)
Nagyon sokan kísérleteznek vele
12
Szénszálas izzólámpa Thomas Edison (1847 – 1931)
Joseph Swan (1828 – 1914)
elszenesített gyapotból
1200 óra élettartam 600 (!) bambuszfajtából 4 bizonyult megfelelőnek
1,4 lm/watt
Az izzólámpát 1879 szilveszterén mutatta be a meghívott újságíróknak. 13
Villanyvilágítás 1882 Budapest izzólámpás villanyvilágítás, ideiglenesen a Vigadóban 1883 Nemzeti Színház 1884 Keleti Pályaudvar világítása 1884 Temesváron épült az első közcélú erőmű
Gázvilágítás → Villanyvilágítás
Than Károly 14
Izzólámpa kezdetei Nernst-lámpa Kerámia rúd elektromos árammal izzítva cirkónium-dioxid ZrO2 ittrium-oxid Y 2O3 erbium-oxid Er2O3 Szilárd elektrolit fel kell hevíteni 1300 oC-ra, hogy vezetővé váljon Platina fűtőtest 2100 oC felett működik Nem kell vákuum vagy védőgáz Szép, fehér fény Kiszorítja a volfrámszálas izzó 15
Izzólámpa volfrámszállal Szénszálas 1,4 lm/watt Volfrámszálas izzó 7 - 14 lm/watt Just Sándor és Hanaman Ferenc 1904 Egyesült Izzó 1906 TUNGSRAM gyár 1905
William Coolidge 1910 Nehézkes előállítás Scheelit CaWO4 → WO3 → redukció hidrogénnel → W-por Nem olvasztható meg, szinterelés → dróthúzás
16
Izzólámpa volfrámszállal
Edison 27 • Irving Langmuir 1913 vákuum helyett argon és nitrogén kevésbé párolog • Bródy Imre 1936 kripton – rossz hővezető
Bródy Imre (1891 – 1944)
• Dupla spirál 1931 Millner Tivadar, Tury Pál K, Na, Si, Al
171899 - 1988
Napfény 6000 K
szem érzékenysége Izzólámpa hőmérséklete 2000 K - 3300 K Folytonos spektrum
Kb. 2% fény, a többi hő Hogyan javítható ez a rossz hatásfok? 18
Hogyan javítható ez a rossz hatásfok? Típus
Teljes hatásfok
Fényhatásfok (lm/W)
60 W izzó
2,1%
14,5
Halogén izzó
3,5%
24
Fekete test 4000 K
7,0%
48
Fekete test 7000 K
14%
95
Monokromatikus zöld fény 555 nm
100%
683
a szem érzékenységi maximuma ez a maximum a lumen és a kandela definíciója fehér fényre kb. 240 lm/W a legjobb hatásfok 19
Halogénlámpa A hatásfok javítása • magasabb hőmérséklet 3200 - 3400 K • a volfrám párolgásának (a búra feketedése) csökkentése bróm vagy jód
W párolog melegebb hely
WBrn
W + nBr
hidegebb hely
melegebb hely
kripton - gáz viszonylag nagy nyomáson kvarc vagy keményüveg búra (magas hőmérséklet!)
24 lm/W
3,5%
20
Gázkisülés
gerjesztés
az energiaszintek közötti elektronátmenet fénykibocsátással jár vonalas színkép
fénykibocsátás
hidrogén
Az anyagok (elektronszintek) célszerű kiválasztásával az izzólámpához hasonló fényforrás készíthető. 21
Az anyagok megválasztásával a szín(hőmérséklet) is befolyásolható.
Gázkisülési cső
neoncső ????
1910 Georges Claude
Szín függ a gáz fajtájától • Neon • Hélium • Nitrogén • Szén-dioxid • Kripton • Argon
vörös (neoncső) rózsaszín sárgás rózsaszín kékesfehér fehér kék
reklámcsövek
Sok UV-sugárzás is ez is hasznosítható
22
Fénycső Higanygőz és inert gáz
Fénypor UV látható
a higany spektruma
Fényhasznosítás 60-70 lm/W 23
Fénycső a higany spektruma
kis nyomáson sok UV-sugárzás keletkezik (253,7 és 365 nm) Ennek hasznosítása fénypor → látható fény az UV-fényt az üvegbúra nem engedi át (??)
Vörös Zöld Kék
Y2O3:Eu (Ce,Tb)MgAl11O19: Ce:Tb BaMgAl10O17:Eu
R G B
24
Fénycső Komoly gond a színvisszaadás A színkép egyenletességét az Ra index-szel jellemzik Ra index
…..100
Rossz színvisszaadás
25
Fénycső
Komoly gond a színvisszaadás nem egyenletes (folytonos) a színkép („sávos”)
fényporok Régebben kalcium halofoszfát Ca5(PO4)3(Cl,F):Sb3+, Mn2+
Újabban Ritka földfém LaPO4:Tb3+, Ce3+ Y2O3:Eu
zöld és kék vörös 26
Kompakt fénycső 1973 General Electric elektronikus előtét 40 kHz
Fényhasznosítás 60-70 lm/W 2 000 – 10 000 óra (elvben) „Titkos” kód – 830 Ra = 80 T/K = 3000
• Kis mértékű UV-sugárzás • Higanyt tartalmaz • Ki-, bekapcsolás • Lassan éri el a teljes fényét • Beszerzési ára nagy • Az elektronika minősége • Az olcsó hamar tönkremegy • Színvisszaadás (Ra) rossz 27
Speciális fénycsövek Szolárium 5% UVB, 95% UVA
Pénzvizsgáló
Fertőtlenítő (germicid) lámpa
Kvarc csőben, a teljes Hg spektrum (UVB) 253,7 nm 28
Környezetvédelem? Hg kibocsátás a környezetbe 4 – 5 mg Hg/lámpa Újabban 1,0 – 1,5 mg Hg/lámpa
Veszélyes hulladék A gyártás is környezetszennyező 29
Környezetvédelem? EU irányelv, energiacsökkentés
Helyette • halogén izzó • kompakt fénycső • LED
A háztartásokban a világítás csak kb. 10% 30
Nagynyomású gázkisülő lámpa
Gerjesztett és ionizált gáz (plazma)
31
Nagynyomású gázkisülő lámpák
Higanylámpa
Nátriumlámpa
Fémhalogén lámpa
Az egyik legrégebbi nagy nyomású lámpa. Közvilágításban még alkalmazzák, de visszaszorulóban van. Színe jellegzetesen sápadt fehér. 50 lm/W
Közvilágítási célra a legelterjedtebben használt fényforrás, elsősorban gazdaságossága, és magas élettartama miatt. Színe narancssárga, színvisszaadása gyenge. 130 lm/W Különböző fémek jodidjaival, néha bromidjaival adalékolt lámpa. A fémek kombinációjával egyedi színeket vagy kiváló színvisszaadást tesz lehetővé. 90-110 lm/W 32
Fémhalogén lámpa Fém-halogenidek gőzeiben játszódik le az ívkisülés pl.: NaI ScI3 InI3 DyI3 TlI Hatásuk: vonalgazdagabb a színkép jobb a színvisszaadás
HoI3
Induláskor lilás argonív utána kékes fehér higanyív majd lassan a többi fém spektruma.
kb. 10 perc
higanylámpa színképe
33 színképe fémhalogén lámpa
Xenonlámpa Ívkisülés Nagy teljesítmény (több 1000 W is) Erősen pontszerű fény Fehér fény, jó színvisszaadás Nagy nyomás (több 10 bar, veszélyes) Filmtechnika, vetítőgépek Gépjárművek (újabban, fémhalogénnel)
Ra ≥ 98
látható tartomány
fényképezőgép vaku
Igen nagy fényerő – 3200 lumen kb. 42 watt esetén
34
LED LED – fényemittáló dióda
LED = Light Emitting Diode
A LED-ek világítástechnikai alkalmazása most van elterjedőben. 30-60 lm/W, de van a 150 lm/W -es is. Nick Holonyak 1962 vörös GaAsP 1 lm/W 1960-as évek sárga 1970-es évek narancs 1980-as évek zöld
Egyre növekvő fényhasznosítás
Szabadság-híd, Budapest, 2009 35
LED Elektrolumineszcencia
Vezetési sáv
e energia szükséges
TILTOTT SÁV
Vegyérték sáv
energia szabadul fel pl. foton
e
rekombináció
elektron + lyuk rekombinációja → foton kibocsátás 36
LED
LED-ek spektruma
Fehér LED • RGB • Fényporral (mint a fénycső) Y3Al5O12:Ce3+
37
Összegezés
Hatásfokok
Kategória
lángok
izzólámpa
Típus
lm/W
%
0,3
0,04%
gázharisnya
2
0,3%
100 W
14
2,0%
halogén
24
3,5%
gyertya
ívlámpa
xenon
30–50
4,4–7,3%
fénycső
kompakt fénycső
57–72
8–11%
hosszú fénycső
70–100
10–15%
fémhalogén
65–115
9,5–17%
nagy nyomású nátrium
85–150
12–22%
kis nyomású nátrium
100–200
15–29%
LED
fehér
10–150
1,5–22%
elméleti maximum
555 nm-es zöld fény
Kisülési lámpák
683
38
100%
Színvisszaadás
színvisszaadás
Összegezés
39
A fényforrások és a kémia
40
Köszönet Babay-Bognár Krisztina, ELTE Balázs László, GE Hungary Borsányi János, Budapesti Műszaki Főiskola Pajkossy Tamás, MTA KK Anyag- és Környezetkémiai Intézet Tóth Zoltán, GE Hungary Varga Imre, ELTE
VÉGE Köszönöm a figyelmüket!
41
